Истечение жидкости через малые отверстия и насадки

В технических установках часто истечение жидкости осуществляется через малые отверстия и насадки. При этом на выходе из отверстия происходит сжатие струи, которое характеризуется коэффициентом сжатия и определяется из выражения (6.1):

, (6.1)

где S_c - площадь поперечного сечения струи в месте сжатия, м²;

Тогда уравнение объёмного расхода (2.5) примет следующий вид:

Q = v S_c , м³/с (6.2)

Среднюю скорость потока v обычно выражают через скоростной напор

Н = и учитывают коэффициент сопротивления малого отверстия. Тогда уравнение (6.2) запишется в развернутом виде:

Q = (6.3)

Если учесть, что S_c = и принять , то окончательно получим уравнение расхода жидкости при истечении через малое отверстие:

Q= , (6.4)

где - коэффициент расхода ( < 1).

В приближенных расчётах и при Re принимают , а при более точных расчётах значение определяют по табл. 3.1 в зависимости от числа Рейнольдса.

Таблица 6.1

	0,638	0,623	0,610	0,603	0,597	0,594	0,593
Re

Для увеличения пропускной способности малых отверстий к ним присоединяют насадки. В технике используются насадки различной формы, имеющие разные значения коэффициентов расхода (рис. 6.1).

= 0,82; 0,71 0,95 0,45 0,97

Рис. 6.1. 1- цилиндрический внешний; 2 – цилиндрический внутренний;

3-конический сходящийся; 4–конический расходящийся;

5– коноидальный.

Расход жидкости через насадок определяется по формуле (6.5):

Q_{н = ,} м³/с (6.5)

где - коэффициент расхода насадка.

На практике широко используется цилиндрический насадок, так как он прост в изготовлении и имеет достаточно большой коэффициент расхода.

*** Увеличение расхода жидкости через малое отверстие при присоединении к нему насадка связано с ……

Гидравлические машины

В общем случае машиной принято называть техническое устройство, совершающее механическую работу. В гидравлических машинах рабочим телом является жидкость. По назначению они подразделяются на три больших класса:

= насосы;

= гидродвигатели;

= гидроприводы.

Насос – гидравлическая машина, которая служит для создания напорного потока жидкой среды. Поток жидкой среды в насосе создаётся силовым воздействием вытеснителя на жидкость, находящуюся в рабочей камере насоса. По характеру силового воздействия насосы классифицируются на объёмные и динамические.

К объёмным насосам относятся:

= поршневые;

= диафрагменные;

= шестерённые.

Динамические насосы в свою очередь подразделяются на три вида:

= центробежные;

= осевые;

= струйные.

Основными техническими характеристиками насоса являются напор, подача и мощность. Наряду с общепромышленными насосами, обеспечивающими малые и средние значению напора и подачи рабочей среды, выпускаются и специальные, такие как вентиляторы и компрессоры.

Вентиляторы – это насосы, перемещающие сжимаемую жидкость (газ) и создающие малые напоры до 1500 мм вод. ст. (0,015 МПа).

Гидравлические машины, обеспечивающие высокую степень сжатия ε > 3,5 (ε = Р_вых /Р_вх) и работающие с искусственным охлаждением называются компрессорами.

Гидродвигатели – машины, превращающие гидравлическую энергию потока жидкости в механическую. Некоторые технические устройства, например, гидроцилиндр, могут работать как насосы или как гидродвигатели, в зависимости от схемы подключения.

В современных мощных машинах часто вместо механических передач используются гидравлические передачи или гидроприводы.

Гидропривод – совокупность устройств, предназначенных для приведения в движение механизмов и машин при помощи жидкости.

Силовой частью гидропривода является гидропередача, состоящая из насоса и гидродвигателя. Назначение гидравлических передач такое же как механических: передача движения от двигателя к рабочему органу машины.

Поршневые насосы

Поршневой насос представляет собой гидравлическую машину объёмного действия, в которой вытеснение жидкости из рабочей камеры происходит в результате прямолинейного возвратно-поступательного движения поршня. Схема типового одноцилиндрового насоса с кривошипным приводом показана на рис .7.1…↓

Возвратно-поступательное движение поршня 5 обеспечивается электродвигателем с помощью кривошипно-шатунного механизма, состоящего из кривошипа 1, шатуна 2, ползуна 3 и штока 4. Рабочая камера насоса состоит из цилиндра с поршнем 5, всасывающего клапана 9 и напорного клапана 10. Перекачиваемая жидкость подаётся в рабочую камеру через всасывающий трубопровод 8 и отводится по напорному трубопроводу 11.

Рис.7.1

1 – ­­­­­­кривошип; 2 – шатун;­­­­­ 3 – ползун; 4 – шток; 5 – цилиндр с поршнем; 6 – фильтр; 7 – клапан приёмный; 8 –трубопровод всасывающий 9 – клапан всасывающий; 10 – клапан напорный; 11 – трубопровод напорный; 12 -13 – манометры.

В нижней погруженной части всасывающего трубопровода дополнительно установлены фильтр 6 и приёмный клапан 7.

Принцип работы насоса заключается в следующем: В первом такте при движении поршня слева направо по стрелке 1 в рабочей камере создаётся вакуум. Под действием разности давлений (Р_атм - Р_вак) всасывающий клапан 9 откроется и по всасывающему трубопроводу 8 жидкость из водоёма будет подниматься в насос. Во втором такте при движении поршня влево по стрелке 2 жидкость в рабочей камере сжимается и её давление повышается. Тогда под действием силы давления напорный клапан 10 открывается и некоторый объём жидкости из рабочей камеры вытесняется в напорный трубопровод 11. При перекачке жидкостей часто определяющее значение имеет полная высота подачи жидкости Н_n, представляющая собой сумму высот всасывания и нагнетания (рис. 7.1):

Н_n = Н_{вс +} Н_н (7.1)

Основными техническими характеристиками насосов являются мощность, подача и напор. При этом теоретическая мощность N может расходоваться в различных соотношениях на подачу и на напор (7.2):

, Вт (7.2.)

где: H – напор, м;

Q – подача, м³/с;

ρ – плотность, кг/м³.

Подача – это количество жидкости, подаваемое насосом в единицу времени. Подача, как и расход жидкости подразделяется на объёмную и массовую. Теоретическая объёмная подача Q_Т определяется по формуле (7.3):

, м³/с (7.3.)

где: S – площадь поршня, м²;

s – ход поршня, м;

n – частота вращения кривошипа, 1/с.

Напор насоса представляет собой разность удельных энергий в сечениях потока, расположенных на выходе из насоса и перед ним. В насосной установке рис. 4.1 давления в этих сечениях измеряются манометром 12 и вакууметром 13. Теоретический полный напор H_T определяется исходя из уравнения Бернулли, представленного в разностном виде:

, м (7.4)

где: - разность уровней установки манометра и вакуумметра, м;

- давление жидкости на выходе из насоса, Па;
-давление жидкости на входе в насос, Па;

, - скорости жидкости на выходе и на входе, м/с.

Т.е. полный напор насоса равен сумме геодезического, пьезометрического и скоростного напоров.По приведённым формулам определяются теоретические значения технических характеристик. Для получения действительных значений необходимо использовать полный КПД насоса, который в зависимости от типа и конструкции может иметь значение в пределах

0,7 – 0.9.

Поршневые насосы просты, надёжны и широко используются в технике, особенно для создания больших напоров. Основным недостатком одноцилиндровых поршневых насосов является неравномерность подачи, которая может быть уменьшена путём увеличения числа цилиндров, поршни которых насажены на общий вал. Неравномерность подачи можно уменьшить и другими способами: установкой воздушных колпаков, применением насосов дифференциального типа, насосов двойного действия и другие.

Центробежные насосы

Центробежные лопастные насосы относятся к классу динамических машин и обычно используются для создания низконапорных потоков жидкостей (до 1,0 МПа) с большими подачами.

Рис.7.2.

На рис. 4.2 представлен одноколёсный центробежный насос с односторонним входом. 1 – резервуар напорный; 2 – трубопровод напорный; 3 – патрубок нагнетательный; 4 – корпус насоса; 5 – рабочее колесо; 6 – трубопровод подводящий; 7 – фильтр; 8 – патрубок всасывающий; 9 – вал рабочего колеса.

Корпус 4 центробежного насоса выполнен в виде улитки, а на валу 9 рабочего колеса 5 закреплены криволинейные лопасти. Вал с рабочим колесом приводится во вращение от электродвигателя

(на рис. 4.2 не показан). Корпус насоса снабжен двумя патрубками: всасывающим 8 и нагнетательным 3, причём, всасывающий патрубок подходит к центру корпуса насоса, а нагнетательный расположен по касательной к цилиндрической боковой поверхности корпуса. К всасывающему патрубку 8 последовательно подсоединены подводящий трубопровод 6 и фильтр 7. Обязательным конструктивным элементом центробежного насоса является обратный клапан (на рис. 4.2. не показан). Напорный участок насоса состоит из напорного трубопровода 2 и приёмного резервуара 1.

Принцип работы. Центробежные насосы не обладают свойством самовсасывания, поэтому перед пуском подводящий трубопровод заполняют перекачиваемой жидкостью. При наполнении трубопровода рабочей жидкостью обратный клапан закрывается. После включения электродвигателя рабочее колесо начинает вращаться и жидкость, заполняя межлопастное пространство под действием центробежной силы перемещается по профилю лопаток от центра к периферии. В результате такого перемещения в центральной полости корпуса образуется вакуум. Тогда под действием перепада давлений (Р_атм – Р_вак) обратный клапан откроется и жидкость по подводящему трубопроводу будет непрерывно поступать в рабочую камеру насоса.

Напор центробежного насоса Н определяется по основному уравнению лапастных машин (7.5), полученному Л. Эйлером ещё в 1755 г., когда такие насосы серийно ещё не производились:

, м (7.5)

где: u₂ – переносная скорость жидкости на выходе из рабочего колеса, м/с;

v₂ – абсолютная скорость жидкости на выходе из рабочего колеса, м/с;

– угол между векторами абсолютной и окружной скоростей, град.

Подача насоса Q определяется по известной формуле объёмного расхода Q = vS, которая применительно к центробежному насосу имеет вид (7.6):

, м³/с (7.6)

где: D₂ – диаметрвнешней окружности рабочего колеса, м;

b₂ – ширина канала рабочего колеса, м.

Теоретическая мощность центробежного насоса определяется по общей формуле (7.2)

Для увеличения напора центробежного насоса на одном валу устанавливают несколько колёс, через которые жидкость проходит последовательно. Однако, увеличение числа рабочих колёс требует большой длины вала, что при вращении вызывает недопустимые прогибы и биения. Поэтому центробежные насосы для создания больших давлений, как правило, не используются.

Шестерённые насосы

Шестерённые роторные насосы, так же как и поршневые, относятся к насосам объёмного действия, работающие по принципу вытеснения жидкости. Они применяются когда при сравнительно небольшой подаче необходимо получить высокие давления. В современной технике их успешно используют в гидропередачах, в автоматических устройствах и системах регулирования, в топливных системах газотурбинных и ракетных двигателей, в гидравлических прессах и в смазочных системах двигателей для перекачки вязких жидкостей.

Рис. 7.3.а. Шестерённый насос Рис. 7.3.б. Коловратный насос

1 – корпус; 2 – патрубок всасывающий; 3 – патрубок нагнетательный

4 – шестерни (ведущая и ведомая);

Шестерённый насос (рис. 7.3.а) состоит из пары одинаковых шестерён 4, находящихся в зацеплении и помещённых в корпус 1 с малыми торцевыми и радиальными зазорами. Для подсоединения к внешним трубопроводам корпус насоса имеет всасывающий 2 и нагнетательный 3 патрубки.

Принцип работы. Ведущая шестерня приводится во вращение электродвигателем. При вращении шестерён, находящихся в зацеплении, жидкость, находящаяся во впадинах между зубьями, перемещается из всасывающей полости 2 в нагнетательную 3. При работе насоса возникает большая разность давлений на входе и выходе, что сопровождается действием на шестерни больших по величине радиальных сил и может вызвать заклинивание ротора. Для ограничения максимального перепада давлений в корпусе насоса имеются разгрузочные каналы, соединяющие между собой всасывающую и нагнетательную полости насоса.

→ предложить способ 2…**

Подача шестерённого насоса определяется исходя из условия зацепления зубьев ведущей и ведомой шестерён. Каждый зуб вытесняет из впадины объём жидкости равный bS, где b – длина стороны зуба; S – площадь рабочей части зуба. За один оборот обе шестерни подают в область нагнетания объём жидкости V = 2bSz, где z – число зубьев шестерни. Тогда теоретическая подача Q_Т шестерённого насоса с двумя шестернями будет определяться по формуле (7.7):

, м³/с (7.7)

где n – частота вращения ведущей шестерни, 1/с.

Напор насоса определяется по уравнению Бернулли в разностном виде (7.4). Конструктивно кратное повышение напора достигается типовым способом, т.е. использованием многоступенчатой насосной установки, а для увеличения подачи используют насосы с тремя и более шестернями, расположенными вокруг центральной ведущей шестерни.

Шестерённые насосы реверсивны и обладают свойством обратимости, т.е. при подаче к ним жидкости под давлением они могут работать в качестве гидродвигателей. Простота конструкции и многофункциональность определяют их широкое использование в современной технике.

Для перекачки особо вязких жидкостей, таких как смолы, битумы и др., на производстве используются коловратные насосы, являющиеся одной из разновидностей шестерённых насосов (рис. 7.3.б). В коловратном насосе роторы не могут передавать крутящий момент внутри статора, поэтому они кинематически соединены между собой шестерённой парой, расположенной вне корпуса.

Гидроприводы

В любой машине передача усилия от двигателя к рабочему органу осуществляется специальным устройством, называемом приводом, которые могут быть механические или гидравлические. В современной мощной и скоростной технике всё большее распространение получают гидравлические приводы, имеющие ряд преимуществ.

В состав гидропривода входят: гидропередача, соединительные трубопроводы и устройства управления и обслуживания. По принципу действия гидроприводы подразделяются на объёмные и динамические, а по характеру движения выходного звена их разделяют на гидроприводы ¹⁾поступательного, ²⁾поворотного и ³⁾вращательного движения.

В качестве рабочих жидкостей в них используются минеральные масла, которые практически несжимаемы и одновременно являются смазывающими и охлаждающими агентами. В условиях низких температур Сибири и Крайнего Севера в рабочую жидкость добавляют глицерин и спирт, которые снижают температуру замерзания до –60⁰С.

Наиболее простым по конструкции является объёмный гидропривод поступательного движения, схема которого показана на рис. 7.4.

Рис. 7.4

Гидропривод состоит из следующих устройств: 1 – гидродвигатель; 2 – распределитель двухпозиционный кулач- ковый с возвратной пружиной; 3 – бак с рабочей жидкостью; 4 – насос регулируемый; 5 – клапан предохранительный. Принцип работы. Регулируемый насос 4 засасывает рабочую жидкость из бака 3 и нагнетает её по трубопроводу через распределитель 2 в поршневую полость гидродвигателя 1. Под действием

силы давления жидкости поршень гидродвигателя движется слева направо и вытесняет объём жидкости, находящийся в штоковой полости. Вытесненный объём жидкости по каналу распределителя свободно сливается в бак. Предохранительный клапан 5 срабатывает при перегрузке системы, т.е. когда рабочее давление превышает предельно допустимое значение.

** Движение поршня в обратном направлении….

Гидроприводы поворотного и поступательного движений отличаются конструкциями распределителей и гидродвигателей. На рис. 7.5 показана схема поворотного гидропривода с гидродвигателем шиберного типа 1.

Рис. 7.5 Рис. 7.6

При его работе внутреннее пространство гидродвигателя попеременно заполняется рабочей жидкостью с правой или с левой стороны лопасти, изменяя угол поворота лопасти. С учётом особенностей эксплуатации поворотного двигателя в схеме использован трёхпозиционный распределитель.

** среднее положение распределителя…

На рис.4.6. показана схема гидропривода вращательного движения.

Её особенностью является герметичность бака с рабочей жидкостью, в котором поддерживается избыточное давление для улучшения условий всасывания.

Широкое использование гидроприводов и гидропередач объясняется целым рядом их преимуществ в сравнении с механическими:

- бесступенчатое регулирование скоростей в широком диапазоне;

- передача больших сил и мощностей при малых размерах и весе;

- возможность автоматизации и дистанционного управления и др.